1 - Introduzione alla Scelta dei Materiali

1 - Introduzione alla Scelta dei Materiali
1.1 - Tipologie e proprietà dei materiali
Contenuti
• Classi dei materiali per l’ingegneria
• Proprietà dei materiali
• Confronti tra classi di materiali
• Proprietà e utilizzo dei metalli
Fonti:
• M. F. Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design” Butterworth Heinemann, 1999
Chapters 1, 3
• The Cambridge Material Selector (CES) software -- Granta Design, Cambridge
(www.grantadesign.com)
Evoluzione dei materiali
Progressi nei materiali strutturali
„
Strength - to - density ratio (SDR) è una misura del
risparmio di peso a parità di resistenza
„
I primi materiali strutturali sono stati la pietra e il legno (la
pietra a compressione, il legno a trazione e compressione,
in direzione parallela alle fibre)
„
I primi materiali venivano utilizzati così come reperibili in
natura. Col passare del tempo sono stati scoperti metodi
per la lavorazione.
„
Il legno ha un SDR sorprendentemente elevato
„
I primi metalli strutturali sono stati il rame (copper), le sue
leghe (bronzo), la ghisa (cast iron) e il ferro battuto
(wrought iron)
„
Questi metalli sono più resistenti di legno e pietra in termini
assoluti,ma sono molto più pesanti – quindi hanno valori di
SDR bassi
Progressi nei materiali strutturali
„
SDR ha avuto un forte incremento negli ultimi 20 anni -- 50X
„
Per tenere in sospeso un peso di 25 ton per mezzo di una
barra cilindrica di ghisa è necessaria una sezione di raggio
pari a 14.2 mm, pesante 6 kg/m.
„
Lo stesso peso può essere tenuto in sospeso da un cavo di
fibre polimeriche ad alta resistenza (high strength polymer
fibers) con un raggio pari a 4.5 mm, pesante 100 g/m.
Force (F)
Force (F)
Failure Stress = σf = F/A
Area (A)
Classi dei materiali
Steels
Cast irons
Al-alloys
Metals
Cu-alloys
Ni-alloys
Ti-alloys
PE, PP, PC
PA (Nylon)
Alumina
Si-Carbide
Polymers,
elastomers
Ceramics,
glasses
GFRP
CFRP
Soda-glass
Pyrex
Composites
Polymer foams
Metal foams
Foams
Ceramic foams
Glass foams
Butyl rubber
Neoprene
KFRP
Plywood
Woods
Natural
materials
Natural fibres:
Hemp, Flax,
Cotton
Materiali appartenenti a una stessa classe sono generalmente
accomunati da proprietà simili, stessi processi di lavorazione
applicabili, e campi di utilizzo analoghi
Classi di materiali
„
Metals
Ferrous metals: carbon, alloy, stainless steels
Nonferrous metals and alloys: aluminum, magnesium,
copper, nickel, titanium, low-melting alloys
„
Plastics: thermoplastics, thermosets, and elastomers
„
Ceramics: glass ceramics, glasses, graphite, and
diamond
„
Composite materials: reinforced plastics, metal-matrix
and ceramic-matrix composites, and honeycomb
structures.
Metals
„
Reticolo cristallino (crystal lattice) semplice
Metals
„
L’accumulo di celle unitarie nelle 3 dimensioni produce un
singolo grano -- grani di orientamento differente si incontrano
lungo i confini (grain boundaries)
Metals
„
La deformazione avviene per slittamento (slip) secondo piani
di scivolamento (slip plane)
Metals
„
Eccellente conduttività termica e elettrica (electric and
thermal conductivity)
„
Moduli elastici relativamente elevati
E = σ/ε (stress/strain)
„
La resistenza può essere aumentata mediante elementi leganti,
deformazioni meccaniche, trattamenti termici
ƒ Gli elementi leganti impediscono il movimento delle
dislocazioni
ƒ Le lavorazioni meccaniche producono l’accumulo delle
dislocazioni verso i bordi dei grani
ƒ Il riscaldamento a basse temperature causa la migrazione degli
elementi leganti verso il centro delle dislocazioni e la
formazione di precipitati che le bloccano
ƒ Il riscaldamento a temperatura elevata, seguito da rapido
raffreddamento, causa distorsione e indurimento del reticolo
cristallino
Metals
„
Hanno buona duttilità (misurata dalla resistenza alla
frattura -- strain to fracture), e si snervano prima di
arrivare a frattura
„
Sono sensibili al fenomeno della fatica
„
Sono i materiali meno resistenti a corrosione tra le 6
classi (a meno di ricorrere a ricoprimenti protettivi)
Ceramics
„
Sono generalmente costituiti da una combinazione di atomi
metallici e non metallici (ossido di alluminio, Al2O3). Altri
ceramici molto noti sono SiC, SiO2
„
La caratteristica principale è costituita dalla natura del
legame tra atomi metallici e non metallici, particolarmente
forte
Ceramics
„
Come i metalli, i ceramici hanno legami resistenti e quindi
moduli di elasticità elevati
„
Mentre i primi sono duttili, i ceramici sono fragili (i metalli
possono deformarsi plasticamente mediante movimento
delle dislocazioni)
„
Nei ceramici le dislocazioni si formano difficilmente a causa
del forte legame covalente tra gli atomi di differente natura
„
Si deformano elasticamente fino a rottura improvvisa -- la
resistenza a trazione è circa 15 volte minore di quella a
compressione
„
La rigida struttura fortemente legata comporta elevata
durezza e resistenza all’usura (largo utilizzo negli utensili
da taglio)
Polymers
„
Sono costituiti da lunghe catene di molecole ripetute (longchain repeating molecules) – generalmente gli atomi di
carbonio costituiscono la spina dorsale, quelli di idrogeno
sono legati ad essi
„
Esempio: Polietilene – conposto
da molecole ripetute di etilene
(C2H4 )
Polymers
„
Architettura
„
Classificazione
Polymers
„
La struttura molecolare può essere “stirata” perché le
molecole che costituiscono le catene possono scorrere una
rispetto all’altra, e le catene stesse possono “srotolarsi”
„
Se i fenomeni di scorrimento sono reversibili la
deformazione è elastica, e può essere definito un modulo
elastico. Se non sono reversibili si verifica una specie di
snervamento, e la deformazione irreversibile può essere
molto ampia prima della rottura
„
Conseguentemente i polimeri hanno moduli elastici bassi
(circa 50 volte inferiori rispetto ai metalli), ma sono
resistenti (talvolta quanto i metalli) grazie alla buona
resistenza dei legami secondari, che devono essere
spezzati per giungere a rottura
Polymers
„
Le proprietà dipendono fortemente dalla temperatura.
Possono essere tenaci e flessibili a 20o C e fragili a 4o C,
soggetti a creep (lenta deformazione irreversibile) a 100o C.
Nessuno ha buona resistenza oltre i 200o C.
„
Sono facilmente formabili: parti complesse che realizzano
prestazioni diversificate possono essere realizzate da un
singolo polimero mediante un’unica lavorazione
„
Sono resistenti alla corrosione e hanno bassi coefficienti di
attrito
Composites
„
Sono costituiti da due tipi di fasi: la matrice, e una o più fasi di
rinforzo
„
Lo scopo delle fasi di rinforzo è di accrescere le proprietà della
matrice (resistenza, rigidezza, resistenza all’usura, etc.)
„
La fase matrice può essere costituita da metalli, ceramici,
polimeri
„
Le fasi di rinforzo sono generalmente costituite da fibre
continue, o particolati
E-Glass Fibers in Polycarbonate Matrix
SiC Fibers in a Al2 O3 - Al Matrix
Composites
„
Tipi di rinforzo utilizzati per le matrici polimeriche, e a volte
anche metalliche e ceramiche
Composites
„
Particelle e scaglie sono meno efficaci di fibre corte.
Le fibre continue sono le più efficaci, ma l’effetto di rinforzo
varia a seconda della direzione (sono più forti in direzione
longitudinale)
„
Per ridurre la direzionalità si ricorre a tappetini intrecciati
(woven mats)
„
Il legame tra matrice e rinforzo è generalmente molto forte
Composites
„
Miglioramento della resistenza e della rigidezza per
compositi a matrice polimerica rinforzati in vario modo
(glass, graphite, boron, aramid)
Composites
„
Tipologie di materiali da rinforzo per compositi polimerici
Composites
„
Proprietà meccaniche delle fibre di rinforzo
Proprietà dei materiali
„
Mechanical properties: strength, toughness, ductility,
hardness, elasticity, fatigue, and creep
„
Physical properties: density, thermal expansion,
conductivity, specific heat, melting point, and electrical
and magnetic properties
„
Chemical properties: oxidation, corrosion, toxicity,
and flammability
„
Manufacturing properties: castability, formability,
machinability, weldability, and hardenability by heat
treatment
Proprietà dei materiali
Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH2-CH-C6H4)n
Thermal Properties
General Properties
Density
Price
1.05 2.1 -
1.07 Mg/m^3
2.3 USD/kg
Mechanical Properties
Bulk Modulus
Compressive Strength
Ductility
Elastic Limit
Endurance Limit
Fracture Toughness
Hardness
Loss Coefficient
Modulus of Rupture
Poisson's Ratio
Shear Modulus
Tensile Strength
Young's Modulus
4.1 55 0.06 40 24 2.3 100 0.00950 0.38 0.85 45 2.5 -
Glass Temperature
Max Service Temp
Min Service Temp
Specific Heat
Thermal Conductivity
Thermal Expansion
350
350
150
1500
0.17
70
-
360
370
200
1510
0.24
75
K
K
K
J/kg.K
W/m.K
10-6/K
-
15
MV/m
3.3
22
1.6x10 μ ohm.cm
0.009
Electrical Properties
4.6 GPa
60 MPa
0.07
45 MPa
27 MPa
2.6 MPa.m1/2
140 MPa
0.026
55 MPa
0.42
0.95 GPa
48 MPa
2.8 GPa
Breakdown Potential
Dielectric Constant
Resistivity
Power Factor
14
2.8
6.3x1021
0.008
Corrosion and Wear Resistance
Flammability
Fresh Water
Organic Solvents
Oxidation at 500C
Sea Water
Strong Acid
Strong Alkalis
UV
Wear
Weak Acid
Weak Alkalis
Average
Good
Average
Very Poor
Good
Good
Good
Good
Poor
Good
Good
Curva tensione-deformazione: Metalli
„
Il modulo di Young E è la pendenza del tratto lineare della curva
„
La tensione di snervamento σy corrisponde a una deformazione
permanente del 0.2%
„
La tensione σu è la tensione massima raggiungibile prima della
rottura
Curva tensione-deformazione: Polimeri
0
„
σy viene definita dal punto in cui la curva diviene marcatamente non
lineare
„
Il modulo di elasticità può essere definito orientativamente dalla pendenza
iniziale della curva
„
L’estensione dello scorrimento plastico dipende dalla temperatura di
prova in relazione alla Tg (temperatura di transizione vetrosa -- quando un
polimero viene raffreddato al di sotto di questa temperatura, diventa rigido
e fragile come il vetro)
Curva tensione-deformazione: Ceramici
„
A causa del comportamento fragile, i ceramici si rompono per
rapida propagazione di microfratture
„
La rottura a trazione avviene per tensioni molto basse.
A compressione la propagazione della frattura viene contenuta, e
la resistenza a rottura è circa 15 volte maggiore che a trazione
Curva tensione-deformazione: Confronto
Steel
Ceramic
Rubber
Polymer
Resistenza a trazione: Confronto
1000
Tensile Strength (MPa)
100
10
1
0.1
Materials:\Ceramic
Materials:\Composite
Materials:\Foam
Materials:\Metal
Materials:\Natural
Materials:\Polymer
Classes of materials
Modulo di Young: Confronto
1000
100
Young's Modulus (GPa)
10
1
0.1
0.01
1e-003
1e-004
1e-005
Materials:\Ceramic
Materials:\Composite
Materials:\Foam
Materials:\Metal
Classes of materials
Materials:\Natural
Materials:\Polymer
Tenacità alla frattura: Confronto
100
Fracture Toughness (MPa.m^1/2)
10
1
0.1
0.01
1e-003
Materials:\Ceramic
Materials:\Composite
Materials:\Foam
Materials:\Metal
Materials:\Natural
Materials:\Polymer
Classes of materials
Espansione termica: Confronto
1000
900
800
Thermal Expansion (10^-6/K)
700
600
500
400
300
200
100
0
Materials:\Ceramic
Materials:\Composite
Materials:\Foam
Materials:\Metal
Classes of materials
Materials:\Natural
Materials:\Polymer
Conduttività elettrica: Confronto
0.6
0.55
0.5
Electrical conductivity
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
Materials:\Ceramic
Materials:\Composite
Materials:\Foam
Materials:\Metal
Materials:\Natural
Materials:\Polymer
Classes of materials
Proprietà e utilizzo dei metalli: Acciai
Carbon steels
„
„
„
Low-carbon steel (0.02% - 0.3%C) -- bulloneria, barre e
spranghe, tondini
Medium-carbon steel (0.3% - 0.6 %C)-- utensili induriti,
martelli, cacciaviti, chiavi meccaniche
High-carbon steel (0.6 % - 1.5%C) -- bordi di utensili da
taglio, perforatrici, stampi, chiavette, alesatori
Alloy steels
„
Addition of alloying elements (Cr, Mn, Mo, Ni, T, V) -migliora le proprietà meccaniche
Proprietà e utilizzo dei metalli: Ghise
„
Alloy of iron and carbon (1.7%-4.5%C)
„
Gray cast iron -- macchine utensili, componenti automotive,
ampio campo di utilizzo
„
White cast iron -- utilizzata per la produzione di malleable
iron casting
„
Chilled cast iron -- prodotti con superfici resistenti all’usura
„
Alloy cast iron -- motori autimobilistici, freni e altri
dispositivi, macchine utensili
„
Malleable iron castings -- applicazioni industriali che
richiedono alta lavorabilità, buona resistenza meccanica,
duttilità, resistenza all’urto
Proprietà e utilizzo dei metalli: Alluminio
Proprietà:
„
„
„
„
„
High strength-to-weight ratio
Resistance to corrosion
High thermal and electrical conductivity
Nontoxicity, ease of recycling
Reflectivity, ease of machinability
Utilizzi:
„
„
„
„
„
Laminati
Costruzioni (edifici etc.)
Mezzi di trasporto (autoveicoli, aerei, etc.)
Conduttori elettrici
Elettrodomestici
Proprietà e utilizzo dei metalli: Leghe non ferrose
„
Copper-based alloys (brasses and bronzes)
-- good strength, hardness, conductivity
„
Aluminum-based alloys
-- increased tensile strength, ductility
„
Nickel-based alloys
-- high strength and corrosion resistance
„
Zinc-based alloys
-- good corrosion resistance, strength, ductility